Licensed under a Creative Commons表示4.0国際ライセンス ©2018 横地政志（大阪大学 蛋白質研究所）

PDBアーカイブの検証レポートのRDF化

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横地政志1、金城玲1、藤原敏道1、中村春木1,2、栗栖源嗣1
1大阪大学 蛋白質研究所、2国立遺伝学研究所

wwPDB検証レポート（PDF）

発表要旨
PDBアーカイブの検証レポート（wwPDB validation reports）は、X線結晶回折、核磁(a)(b)気共鳴、電子顕微鏡の構造決定法毎の専門委員会（Validation Task Force）の意見に基づいて、広く受け入れられている評価基準を使って、PDBに登録された立体構造の品質を評価する文書です。特に論文の投稿・査読過程における利用が推奨されています。
PDBjは、検証レポートに含まれる評価指標の検索を容易にするため、機械処理しやすい検証レポートの代替フォーマットによるアーカイブ（PDBx/mmCIFと高い互換性のあるXML版とRDF版）を開発しました。現在、新しいアーカイブを利用して、検証レポートのリレーショナルデータベース（PostgreSQL）およびSPARQLエンドポイントを公開しています。これらは立体構造に基づくバイオインフォマティクス、創薬の分野において活用が期待されます。

wwPDB検証レポートの主な評価指標
X-ray/EM/NMR• Geometric & conformational• bond, angle, planarity• protein backbone conformation• protein side-chain conformation• Atomic & molecular interaction• all-atom contacts• under packing• hydrogen bond quality• Non-protein• nucleic acids (RNA pucker, suite)• carbohydrates (N-glycan core)• ligands (CSD)• ions & other solvent• Incomplete model (e.g. CA_ONLY)

Fig.1 (a) wwPDB検証レポート（PDF版）の表紙。 (b) wwPDB検証レポートの最初のページには、主な検証項目に関して、全PDBエントリーを基準にした相対評価がペーセンタイルで表示されていて、注目している構造の品質の概要を知ることができます。パーセンタイル表示の青いほうが評価が良好であることを表します。塗りつぶした四角形は、全エントリーと比較した相対評価、穴あきの四角は同手法、同精度で決定された全エントリーと比較した相対評価です。

代替wwPDB検証レポートのオントロジー作成スキーム

X-ray

wwPDB/OWL-validation• As for relation with wwPDB/OWL• 25 same classes• 427 equivalent classes• 3795 equivalent properties• As for relation with BMRB/OWL• 134 equivalent properties• Structure factor & electron density• Wilson plot outliers, tNCS
• wrong space group• twinning• agreement (Rfree, RSR, RSCC)

NMRCategories

Data items

90% compatible with
PDBx/mmCIF Dic.

93% compatible with
PDBx/mmCIF Dic.

Fig.2 wwPDB検証レポートの定義を、PDBx/mmCIF辞書• Chemical shifts• completeness• outliers• estimated reference error• random coil index• Structure ensembles• representative model (medoid)• domain detectionの 文 書 構 造 、 命 名 則 で 書 き 直 し ま す。 新 た に w w P D Bvalidation information dictionaryを作り、PDBML互換の検証レポートのスキーマ、さらにRDF版のオントロジーを作

wwPDB Validation Information Dictionary,
PDBML-validation Schema (XSD)成します。検証レポートの移植のため、新しく24のカテゴリーと、218のアイテムを辞書に追加しました。既存の• 236 categories• reuse 212 categories in PDBx/mmCIF Dic.
• new 24 categories defined• 2922 data items• reuse 2715 items in PDBx/mmCIF Dic.
• new 218 items defined• 447 items have link to validation reports’ XSD

セマンティック拡張された検証レポート作成と応用

PDBx/mmCIF辞書で記述可能なアイテムは、約200個存在しました。最終的に、補完した方が良い定義を加えると、PDBx/mmCIF辞書と90%以上の互換性がある、検証レポート専用の辞書を作成しました。

セマンティック拡張された検証レポートの特徴
Archive name

wwPDB validation
reports (PDF)

wwPDB validation
reports (XML)PDBML-validation

wwPDB/RDFvalidationHuman-readability

yes-

--

File extension###_validation.pdf###_validation.xml###_validation_full.xml###_validation.rdf

partial-yesyes(from PDBML)(from PDBML)

Validation
information

summary

fullfullfull

Searchable

noyes

yes

yes

(XQuery)(SQL, XQuery)(SPARQL)PDBx/mmCIF-

-

URI-

--

supported

data exchange

data exchange &quick searchknowledge
sharing

利用が想定される検索サービス@Search PDB (PDBj Mine)@PDBj-BMRB integrated search

Metadata(author, entity, …)@NDBC RDF portal@PDBj-BMRB endpoint

Fig.3 既存のXML版のwwPDB検証レポートとPDBMLを編集して、PDBML互換のwwPDB検証レポート、PDBML-valiationを作成しました。さらに、RDF版のwwPDB検証レポート、wwPDB/RDF-validationを作成しました。得られた２つのアーカイブの一方は、Relationalデータベース化して、SQLで検索可能です。RDF版は、SPARQLエンドポイントに入れて他のPurposeデータベースへ連携させることが可能になります。

wwPDB/RDF-validationのSPARQL検索

peer review

wwPDB/RDF-validationのSPARQL検索

例１~90% compatible ~90% compatible

例２

検索：リガンドのRSR (Real space R-factor、残基毎に実験的に求めた電子密度と構造

検索：蛋白質配列中のRSRの異常値 (RSRZ>2、残基毎のRSRのZスコアが2σより大きモデルの電子密度の残差の割合) が10％より小さい全ての酵素-リガンド複合体を選択い) の割合が1%より小さい全ての酵素-リガンド複合体を選択

PREFIX PDBov: <https://rdf.wwpdb.org/schema/pdbx-validation-v1.owl#>

PREFIX PDBov: <https://rdf.wwpdb.org/schema/pdbx-validation-v1.owl#>

SELECT ?PDB_ID ?enzyme ?ligand ?comp_id MIN(?RSR AS ?minRSR)FROM <https://rdf.wwpdb.org/pdb-validation>
WHERE {

SELECT ?PDB_ID ?enzyme (GROUP_CONCAT(?ligand; SEPARATOR=",") AS ?ligands) ?RSRZ_outliers_percent
FROM <https://rdf.wwpdb.org/pdb-validation>
WHERE {?entity PDBov:link_to_enzyme ?link_to_enzyme ;PDBov:entity.pdbx_description ?enzyme ;PDBov:of_datablock ?datablock .

?map_overall PDBov:pdbx_dcc_map_overall.entry_id ?PDB_ID ;PDBov:pdbx_dcc_map_overall.RSRZ_outliers_percent ?RSRZ_outliers_percent .

✍ selection of enzyme

FILTER (xsd:float(?RSRZ_outliers_percent) < 0.1)

BIND (SUBSTR(STR(?datablock),38,4) AS ?PDB_ID)

BIND (IRI(CONCAT("https://rdf.wwpdb.org/pdb-validation/", ?PDB_ID, "/entityCategory")) AS ?entity_category)

BIND (IRI(CONCAT(?datablock, "/pdbx_entity_nonpolyCategory")) AS ?entity_nonpoly_category)?entity_category PDBov:has_entity ?entity .

?entity_nonpoly_category PDBov:has_pdbx_entity_nonpoly ?entity_nonpoly .
?entity_nonpoly PDBov:pdbx_entity_nonpoly.name ?ligand ;PDBov:pdbx_entity_nonpoly.entity_id ?entity_id ;PDBov:pdbx_entity_nonpoly.comp_id ?comp_id .
FILTER (?ligand!="water" && !STRENDS(?ligand, " ION"))?entity PDBov:link_to_enzyme ?link_to_enzyme ;PDBov:entity.pdbx_description ?enzyme .

✍ ligand selection: non-polymer,
not water, not ion?entity_nonpoly_category PDBov:has_pdbx_entity_nonpoly ?entity_nonpoly .
?entity_nonpoly PDBov:pdbx_entity_nonpoly.name ?ligand .

?nonpoly_scheme_category PDBov:has_pdbx_nonpoly_scheme ?nonpoly_scheme .

FILTER (?ligand!="water" && !STRENDS(?ligand, " ION"))

結果：約5000件の酵素-リガンド複合体の組み合わせ、0%に制限した場合は約1000件の組み合わせが存在?dcc_map_category PDBov:has_pdbx_dcc_map ?dcc_map .

FILTER (xsd:float(?RSR) < 0.1)

✍ ligand selection: non-polymer,
not water, not ion}

BIND (IRI(CONCAT(?datablock, "/pdbx_dcc_mapCategory")) AS ?dcc_map_category)?dcc_map PDBov:pdbx_dcc_map.auth_asym_id ?asym_id ;PDBov:pdbx_dcc_map.auth_comp_id ?comp_id ;PDBov:pdbx_dcc_map.RSR ?RSR .

✍ selection of enzyme

BIND (IRI(CONCAT("https://rdf.wwpdb.org/pdb-validation/", ?PDB_ID, "/pdbx_entity_nonpolyCategory")) AS ?entity_nonpoly_category)

BIND (IRI(CONCAT(?datablock, "/pdbx_nonpoly_schemeCategory")) AS ?nonpoly_scheme_category)?nonpoly_scheme PDBov:pdbx_nonpoly_scheme.pdb_strand_id ?asym_id ;PDBov:pdbx_nonpoly_scheme.pdb_seq_num ?seq_id ;PDBov:pdbx_nonpoly_scheme.entity_id ?entity_id ;PDBov:pdbx_nonpoly_scheme.mon_id ?comp_id .

✍ % of outliers in RSRZ < 1%

✍ RSR < 0.1} GROUP BY ?PDB_ID ?enzyme ?ligand ?comp_id

結果：約15000件の酵素-リガンド複合体の組み合わせが存在

代替検証レポートのダウンロード、開発状況、ご意見はこちらへ、
https://github.com/yokochi47/pdbx-validation

まとめ
バルクデータとして検索が容易で、PDBx/mmCIFと高い互換性のある検証レポートの拡張を提案しました。現在、PDBML-validation, wwPDB/RDF-validation及びPostgreSQLデータベースのスナップショットが入手できます。今後は、wwPDBによる承認と公開、PDBj Mine、PDBj-BMRBの検索サービスと統合を進めていく予定です。